CN111209622A - 一种基于风险的原油储库设计方法 - Google Patents

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CN111209622A CN202010004718.3A CN202010004718A CN111209622A CN 111209622 A CN111209622 A CN 111209622A CN 202010004718 A CN202010004718 A CN 202010004718A CN 111209622 A CN111209622 A CN 111209622A
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Abstract

本发明公开了一种基于风险的原油储库设计方法，该方法包括：确定原油储库的初步设计方案；通过HAZOP分析，确定初步设计方案中原油储库潜在的危险场景；对潜在的危险场景的失效概率、失效后果以及失效后果所导致的风险建模并进行定量计算；将定量计算结果与风险可接受准则进行比较，若定量计算结果在可接受准则范围内则初步设计方案合理，若定量计算结果不在可接受准则范围内则进行下一步；对初步设计方案进行优化；形成基于风险的原油储库设计方案。本发明的有益效果为：在原油储罐的设计过程中，充分考虑了不同储库的失效后果以及导致的不同风险水平，降低了原油储库发生安全事故的风险，保证了原油储库的安全性。

Description

一种基于风险的原油储库设计方法
技术领域
本发明涉及原油储存技术领域，具体而言，涉及一种基于风险的原油储 库设计方法。
背景技术
原油储库由于原油库存量大且原油具有可燃性并存***风险，故原油储 库一旦发生事故往往会造成严重的安全后果和重大的经济损失。以往原油储 库设计方法基于标准规范和设计经验进行设计，原则上储库规模相同则设计 上即没有区别，这种方法没有考虑不同储库失效后果及风险水平的不同，降 低了原油储库的安全性，不利于减少事故风险，设计上存在安全隐患。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于风险的原油储库设计 方法，在满足标准规范的前提下实现对不同风险水平原油储库的针对性安全 设计，使事故风险降至可接受水平，保证原油储库的安全性。
本发明提供了一种基于风险的原油储库设计方法，该方法包括：
步骤1、确定原油储库的初步设计方案；
步骤2、通过HAZOP分析，确定初步设计方案中原油储库潜在的危险场 景；
步骤3、对潜在的危险场景的失效概率、失效后果以及失效后果所导致的 风险建模并进行定量计算；
步骤4、将定量计算结果与风险可接受准则进行比较，若定量计算结果在 可接受准则范围内则初步设计方案合理，若定量计算结果不在可接受准则范 围内则进行步骤5；
步骤5、对初步设计方案进行优化；
步骤6、形成基于风险的原油储库设计方案。
作为本发明的进一步改进，步骤3中所述危险场景的失效概率包括设备 设施的失效概率以及设备设施失效后导致事故的点火概率。
作为本发明的进一步改进，所述设备设施的失效概率包括储库中储罐的 泄漏频率、和储库中设备及管线的泄漏频率。
作为本发明的进一步改进，所述事故的点火概率包括立即点火概率和延 迟点火概率。
作为本发明的进一步改进，所述储库中储罐泄漏频率的计算模型为：
F(t)＝FG×Df-total×FM
式中，F(t)为原油储罐的泄漏频率，FG为平均泄漏频率，Df-total为总损伤 系数，FM为管理***评价系数。
作为本发明的进一步改进，所述储库中设备及管线泄漏频率的计算模型 为：
F(d)＝f(D)dm+Frup f(D)＝C(1+aDn)
式中，F(d)为每年泄漏孔径尺寸为d的泄漏频率，f(D)为随着D变化的泄 漏孔径函数，D为设备直径，单位为mm，d为泄漏孔直径，单位为mm，m为 斜率参数，Frup为附加的破裂频率，C,a,n均为设备类型常数。
作为本发明的进一步改进，所述立即点火概率的计算模型为：
Pimm,ign＝Pai+Psd＝[1-5000e-9.5(T/AIT)]+[0.0024×(145P)1/3/(MIE)2/3]
式中，Pimm,ign为立即点火概率，Pai为自燃特性，Psd为点火能特性，T为泄 漏物质的温度，单位为℃，AIT为泄漏物质自燃点，单位为℃，P为泄漏物质 的压力，单位为MPa，MIE为泄漏物质最小点火能，单位为mJ。
作为本发明的进一步改进，所述延迟点火概率的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000021
式中，P(t)为在0～t时间间隔内的点火概率，Ppresent为蒸汽云经过点火源 存在的概率，
Figure BDA0002354801560000022
为点燃率，单位为s-1，t为时间，单位为s。
作为本发明的进一步改进，步骤3中所述危险场景的失效后果包括池火、 喷射火以及蒸汽云***。
作为本发明的进一步改进，所述池火的计算模型包括池火燃烧的储液池 直径、池火燃烧的火焰高度、池火燃烧火焰表面热通量以及目标处接收到的 热通量，其中：
池火燃烧的储液池直径的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000031
式中，S为防火堤所围面积，单位为m2，D为储液池直径，单位为m；
池火燃烧的火焰高度的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000032
式中，L为火焰高度，单位为m，D为储液池直径，单位为m，mf为燃烧 速率，单位为[kg/(m2·s)]，ρ0为空气密度，单位为kg/m3，g为重力加速度， 单位为m/s2；
池火燃烧火焰表面热通量的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000033
式中，q0为火焰表面的热通量，单位为kw/m2，ΔHc为燃烧热，单位为kJ/ kg，fh为热辐射系数，mf为燃烧速率，单位为[kg/(m2·s)]；
目标接收到的热通量的计算模型为：
q(r)＝q0(1-0.058lnr)v
式中，q(r)为目标接收到的热通量，单位为kw/m2，r为目标到泄漏中心 的水平距离，单位为m，v为视角系数。
作为本发明的进一步改进，所述喷射火包括垂直方向喷射火和水平方向 喷射火。
作为本发明的进一步改进，所述垂直方向喷射火的计算模型包括火焰长 度和目标处收到热辐射通量，其中：
火焰长度的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000034
式中，L1为垂直方向喷射火的火焰长度，单位为m，dj为喷管直径，单位 为m，CT为燃料-空气计算化学反应中燃料的摩尔系数，Tf为燃烧火焰的绝热 温度，单位为K，Tj为喷射流体的绝热温度，单位为K，αT为燃料-空气计算 化学反应中产生每摩尔燃烧产物所需反应物的摩尔数，Ma为空气的摩尔质量， 单位为g/mol，Mf为燃料的摩尔质量，单位为g/mol；
目标处收到热辐射通量的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000041
式中,q(r)为距离r处目标接收的热通量,单位为kw/m2,τa为大气传输率,η 为热辐射系数,
Figure BDA0002354801560000042
为燃料的质量流速,单位为kg/s,ΔHc为燃烧热,单位为kJ/kg，Fp为视角因子。
作为本发明的进一步改进，所述水平方向喷射火的计算模型包括火焰长 度和目标处收到热辐射通量，其中：
火焰长度计算模型为：
Figure BDA0002354801560000043
式中，L2为水平方向喷射火的火焰长度，单位为m，Hc为燃烧热，单位 为J/kg，
Figure BDA0002354801560000047
为燃料的质量流速，单位为kg/s；
目标处收到热辐射通量的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000044
式中，q(X)为距离X处接收到的热辐射通量，单位为kw/m2，f为热辐射 率，Hc为燃烧热，单位为J/kg，
Figure BDA0002354801560000045
为燃料的质量流速，单位为kg/s，τ为大气 传输率。
作为本发明的进一步改进，所述蒸汽云***的计算模型包括固定位置处 的超压值、超压时间和正冲量，其中：
超压值的计算模型为：Ps＝Ps'×Pa
式中，Ps为***超压值，单位为KPa，Ps'为***超压参数，Pa为环境压 力，单位为Pa；
超压时间的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000046
式中，tp为超压时间，单位为s，tp'为无量纲时间，E为燃烧能量，单位 为J，aa为当地声速，时间为m/s；
正冲量的计算模型为：is＝1/2×Ps×tp
式中，is为正向冲量。
作为本发明的进一步改进，步骤3所述失效后果所导致的风险包括个人 风险和社会风险，所述个人风险以每年个人死亡率表示；所述社会风险以双 对数模型表示，以死亡数目N对应各种失效后果发生频率累加值F作分布图， 得出F-N曲线。
作为本发明的进一步改进，所述个人风险数值的具体计算步骤为：
步骤311、选择一个失效场景S，并确定其失效频率fs；
步骤312、选择一种天气等级M和该天气等级下的一种风向
Figure BDA0002354801560000051
并确定 天气等级M发生的概率PM以及天气等级M和风向P同时出现的联合概率
Figure BDA0002354801560000052
步骤313、对可燃物释放，选择一个点火事件i并确定点火概率Pi；
步骤314、计算在特定失效场景S、天气等级M、风向
Figure BDA0002354801560000053
及点火事件i条 件下网格单元上死亡概率P个人风险；
步骤315、计算在特定失效场景S、天气等级M、风向
Figure BDA0002354801560000054
及点火事件i条 件下对网格单元个人风险的贡献
Figure BDA0002354801560000055
步骤316、对所有的点火事件重复步骤311-315进行计算，对所有的天气 等级和风向重复步骤312-315进行计算，对所有的S重复步骤311-315进行计 算，则网格点处的个人风险的计算公式为：
Figure BDA0002354801560000056
作为本发明的进一步改进，所述社会风险数值的具体计算步骤为：
步骤321、确定以下条件：确定泄漏场景S及其发生频率fs，确定天气等 级M及其发生概率PM，确定天气等级M下的一种风向
Figure BDA0002354801560000057
及其发生概率
Figure BDA0002354801560000058
对于可燃物泄漏确定点火事件i及其发生概率Pi；
步骤322、选择一个网格单元j，确定网格单元内的人数Ncell；
步骤323、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure BDA0002354801560000059
及点火事件i条 件下，网格单元内的人口死亡百分比P社会风险；
步骤324、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure BDA00023548015600000510
及点火事件i条 件下的网格单元的死亡人数
Figure BDA00023548015600000511
步骤325、对所有网格单元，重复步骤322-324进行计算，对特定泄漏场 景S、天气等级M、风向
Figure BDA00023548015600000512
及点火事件i条件下，计算死亡总人数
Figure BDA00023548015600000513
步骤326、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure BDA00023548015600000514
及点火事件i条 件下的联合发生频率
Figure BDA00023548015600000515
步骤327、对所有的泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure BDA00023548015600000516
及点火事件i重复 步骤321-326进行计算，用累计死亡总人数
Figure BDA00023548015600000517
的所有事故发生的频率
Figure BDA0002354801560000061
构造F-N曲线。
作为本发明的进一步改进，所述步骤5对初步设计方案的优化包括：原 油储库内储罐罐容设计方案的优化、总图布局设计方案的优化、原油储库自 控设计方案的优化、原油储库内储罐机械设计方案的优化和建筑物抗爆设计 方案的优化。
作为本发明的进一步改进，总图布局设计方案优化的具体步骤为：
步骤511、对初步设计方案进行风险评价；
步骤512、根据风险评价的结果，判断各个建筑单体是否满足风险接受准 则；
步骤513、对于不满足风险接受准则的建筑单元，分析其主要风险的贡献 源；
步骤514、调整初步设计方案中的总图布局，将建筑单元位置远离风险贡 献源；
步骤515、各建筑方案调整完毕，形成基于后果的总图布局优化方案；
步骤516、重复步骤511-515，直至满足风险准则要求。
作为本发明的进一步改进，原油储库自控设计方案优化包括：
分析原油储库区工艺流程，确定增加执行机构的阀门；
增加ESD联锁停泵逻辑；
增加原油储库中储罐液位高高联锁停泵逻辑。
作为本发明的进一步改进，建筑物抗爆设计方案优化的具体步骤为：
步骤521、对初步设计方案进行风险评价；
步骤522、计算建筑物所在位置的***超压值；
步骤523、计算建筑物的抗超压能力值；
步骤524、将建筑物的抗超压能力值与其所在位置的***超压值进行比 较：如建筑物抗超压能力值低于***超压值，则根据***超压值重新对建筑 物进行设计；如建筑物的抗超压能力值高于***超压值，则初步设计方案满 足抗爆要求。
本发明的有益效果为：在原油储罐的设计过程中，充分考虑了不同储库 的失效后果以及导致的不同风险水平，降低了原油储库发生安全事故的风险， 保证了原油储库的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种基于风险的原油储库设计方法的流程图；
图2为本发明实施例所述的原油储库事故树；
图3为本发明实施例所述的爆源强度查询图；
图4为本发明实施例所述的***超压参数Ps’选取图；
图5为本发明实施例所述的不同爆源强度下无量纲距离和无量纲时间tp’ 的关系曲线；
图6为本发明实施例所述的网格点的个人风险计算流程图；
图7为本发明实施例所述的社会风险计算流程图；
图8为本发明实施例所述的总图布局设计流程示意图；
图9为发明实施例所述的建筑物抗爆设计流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1-9所示，本发明实施例所述的是一种基于风险的原油储库设计方 法，该方法包括：
步骤1、确定原油储库的初步设计方案。首先，通过原油储库设计标准及 规范结合设计经验得出原油储库的初步设计方案。
步骤2、通过HAZOP分析，确定初步设计方案中原油储库潜在的危险场 景。基于初步设计方案中的总图布局、工艺流程、自控方案等，采用危险与 可操作性分析技术(HAZOP)，根据工艺流程中的功能对每张pid图进去区块 划分，针对每个区块开展分析，对原油储库潜在的风险源进行危害辨识，并 确定危害场景，包括储罐的泄漏、管道的泄漏、设备损坏造成的泄漏等，为 定量分析中失效场景建模做准备。
步骤3、对潜在的危险场景的失效概率、失效后果以及失效后果所导致的 风险建模并进行定量计算；
步骤4、将定量计算结果与风险可接受准则进行比较，若定量计算结果在 可接受准则范围内则初步设计方案合理，若定量计算结果不在可接受准则范 围内则进行步骤5。本申请中的定量计算结果为危险场景失效后果所导致的个 人风险和社会风险的风险数值，将其二者分别与国际《危险化学品生产装置 和储存设施风险基准》(GB36894-2018)中关于危险化学品生产装置和储存设 施周边防护目标所承受的个人风险和社会风险的规定值进行比较。
步骤5、对初步设计方案进行优化；
步骤6、形成基于风险的原油储库设计方案。
进一步的，步骤3中所述危险场景的失效概率包括设备设施的失效概率 以及设备设施失效后导致事故的点火概率。
进一步的，所述设备设施的失效概率包括储库中储罐的泄漏频率、和储 库中设备及管线的泄漏频率。
进一步的，所述事故的点火概率包括立即点火概率和延迟点火概率。
点火模型用于计算火灾、***后果的发生概率。在可燃物料泄漏、气云 扩散的整个持续时间内，由于覆盖的点火源数量和持续时间的延长，点火概 率是在不断变化的。点火概率一般可分为两种，立即点火概率和延迟点火概 率。诸多国际机构发布了点火概率数据源和点火概率计算模型，国家标准也 部分采纳了这些模型，计算模型按照标准规定选取。
进一步的，失效概率通常是在平均失效频率基础上，考虑一定的修正系 数确定。平均失效频率一般采用历史数据库的泄漏频率值，如英国健康安全 管理局(UK HSE)发布的碳氢化合物泄漏数据库(HCRD)、国际石油天然 气生产者协会(OGP)数据库、国标《危险化学品生产装置和储存设施外部 安全防护距离确定方法》资料性附录C“同类设备(设施)典型泄漏场景泄 漏频率值”等。因此本申请对原油储库中储罐的平均泄漏频率进行修正后，得出储罐泄漏频率的计算模型为：
F(t)＝FG×Df-total×FM
式中，F(t)为原油储罐的泄漏频率，FG为平均泄漏频率，Df-total为总损伤 系数，FM为管理***评价系数。管理***评价系数采用打分法确定，GB/t 30578 中有具体的评分原则，具体打分内容及分值如表1所示：
表1管理***评价系数打分表
打分项 问题数 总分值 实际得分
安全生产责任制 7 80
工艺安全信息 9 80
工艺危害性分析 7 95
安全检查 4 40
变更管理 6 70
操作规程 7 120
安全作业 5 80
人员培训 10 60
检验和维护 7 95
投用前的安全检查 7 90
应急措施 6 75
事故调查 2 40
分包管理 5 40
安全生产管理***评估 4 35
总计 86 1000
将由上表打出的管理***分值转换为管理***评价系数FM＝101-X/500，式 中，X为实际得分的总计。
进一步的，本申请中通过泄漏频率函数来分析设备及管线随孔径变化而 产生不同的泄漏频率变化，故而得出储库中设备及管线泄漏频率的计算模型 为：
F(d)＝f(D)dm+Frup f(D)＝C(1+aDn)
式中，F(d)为每年泄漏孔径尺寸为d的泄漏频率，f(D)为随着D变化的泄 漏孔径函数，D为设备直径，单位为mm，d为泄漏孔直径，单位为mm，m为 斜率参数，Frup为附加的破裂频率，C,a,n均为设备类型常数。
而在实际应用中为了简化分析便于计算，在计算过程中，通常把划分单 元内所有的设备和管线的泄漏折算到一个点上，故而设备及管线总的泄漏频 率的简化计算公式为
Figure BDA0002354801560000101
F为泄漏事件的频率，ni为设备i的数量， fi是设备i的泄漏频率。
进一步的，所述立即点火概率由泄漏物质的活性和泄漏速率确定。根据 AQ/T3046-2019《化工企业定量风险评价导则》中的规定，立即点燃的概率由 泄漏物质活性和泄漏速率确定，泄漏物质活性包括物质本身潜在的自燃性和 点火能特性。因此本申请中立即点火概率的计算模型为：
Pimm,ign＝Pai+Psd＝[1-5000e-9.5(T/AIT)]+[0.0024×(145P)1/3/(MIE)2/3]
式中，Pimm,ign为立即点火概率，最大值不超过1，Pai为自燃特性，Psd为点 火能特性，T为泄漏物质的温度，单位为℃，AIT为泄漏物质自燃点，单位为℃， P为泄漏物质的压力，单位为MPa，MIE为泄漏物质最小点火能，单位为mJ。 当T/AIT＜0.9，则Pai＝0；当T/AIT＞1.2，则Pai＝1。
固定装置可燃物质泄漏后立即点火概率如表2所示：
表2固定装置可燃物质泄漏后立即点火概率
Figure BDA0002354801560000102
进一步的，所述延迟点火概率的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000103
式中，P(t)为在0～t时间间隔内的点火概率，Ppresent为蒸汽云经过点火源 存在的概率，
Figure BDA0002354801560000104
为点燃率，单位为s-1，t为时间，单位为s。
进一步的，事件树分析方法是用来分析设备泄漏导致各种事故的可能性 的。大型油库，主要储存原油或汽油、柴油等成品油，泄漏后，可能产生的 后果如图2中所示。由于泄漏事件发生后，泄漏物被延迟点燃发生闪火的情 况以及泄漏物没有被点燃最终安全扩散的情况不会导致风险，因此本申请步 骤3中考虑的失效后果仅包括了包括池火、喷射火以及蒸汽云***。
进一步的，所述池火的计算模型包括池火燃烧的储液池直径、池火燃烧 的火焰高度、池火燃烧火焰表面热通量以及目标处接收到的热通量，其中：
本申请中导致池火的失效场景为储库中的储罐泄漏，因此池火燃烧的储 液池直径的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000111
式中，S为防火堤所围面积，单位为m2，D为储液池直径，单位为m；
池火高度计算采用Thomas模型，池火燃烧的火焰高度的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000112
式中，L为火焰高度，单位为m，D为储液池直径，单位为m，mf为燃烧 速率，单位为[kg/(m2·s)]，ρ0为空气密度，单位为kg/m3，g为重力加速度， 单位为m/s2；
火焰表面热通量采用Mudan模型，假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向 周围均匀辐射，则池火燃烧火焰表面热通量的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000113
式中，q0为火焰表面的热通量，单位为kw/m2，ΔHc为燃烧热，单位为kJ/ kg，fh为热辐射系数，mf为燃烧速率，单位为[kg/(m2·s)]；
目标接收到的热通量的计算模型为：
q(r)＝q0(1-0.058lnr)v
式中，q(r)为目标接收到的热通量，单位为kw/m2，r为目标到泄漏中心 的水平距离，单位为m，v为视角系数。
进一步的，由于喷射火的喷射方向不同，因此对喷射火进行建模时，将 喷射火分为垂直方向喷射火和水平方向喷射火。加压的可燃物泄露时形成射 流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。假定火焰为圆锥形，并用从 泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示。
进一步的，所述垂直方向喷射火的计算模型包括火焰长度和目标处收到 热辐射通量，其中：
火焰长度的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000121
式中，L1为垂直方向喷射火的火焰长度，单位为m，dj为喷管直径，单位 为m，CT为燃料-空气计算化学反应中燃料的摩尔系数，Tf为燃烧火焰的绝热 温度，单位为K，Tj为喷射流体的绝热温度，单位为K，αT为燃料-空气计算 化学反应中产生每摩尔燃烧产物所需反应物的摩尔数，Ma为空气的摩尔质量， 单位为g/mol，Mf为燃料的摩尔质量，单位为g/mol，对于大多数燃料而言，CT远小于1，αT近似等于1，Tf和Tj的比值在7到9之间。
目标处收到热辐射通量的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000122
式中,q(r)为距离r处目标接收的热通量,单位为kw/m2,τa为大气传输率,η 为热辐射系数,
Figure BDA0002354801560000123
为燃料的质量流速,单位为kg/s,ΔHc为燃烧热,单位为kJ/kg，Fp为视角因子。
进一步的，所述水平方向喷射火的计算模型包括火焰长度和目标处收到 热辐射通量，其中：
火焰长度计算模型为：
Figure BDA0002354801560000124
式中，L2为水平方向喷射火的火焰长度，单位为m，Hc为燃烧热，单位 为J/kg，
Figure BDA0002354801560000125
为燃料的质量流速，单位为kg/s；
目标处收到热辐射通量的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000126
式中，q(X)为距离X处接收到的热辐射通量，单位为kw/m2，f为热辐射 率，Hc为燃烧热，单位为J/kg，
Figure BDA0002354801560000127
为燃料的质量流速，单位为kg/s，τ为大气 传输率。
进一步的，对于油库泄漏引发的蒸气云***，采用国际上应用较广的TNO 多能模型计算。该模型经大量的实验结果验证和修正，比较接近事实。所述 蒸汽云***的计算模型包括固定位置处的超压值、超压时间和正冲量。其中：
超压值的计算模型为：Ps＝Ps'×Pa
式中，Ps为***超压值，单位为KPa，Ps'为***超压参数，Pa为环境压 力，单位为Pa。
超压值的计算主要包括爆源强度的确定、无量纲距离计算及***超压参 数选取三个步骤。
爆源强度的大小与蒸气云所处空间的受限程度、点火源强度等有关，其 是一个可变参数，取值为1至10之问的任一整数，1代表最弱的爆源强度， 10则代表最强的爆源强度，对于爆源强度值，可根据图3选择合适的爆源强 度；无量纲距离计算公式为r'＝r/(E/Pa)1/3，r为距离***中心的实际距离， 单位为m，E为燃烧能量，单位为J，Pa为环境压力，单位为Pa；根据确定的 爆源强度和计算得到的r'，在***超压参数选取图(图4)中读出纵坐标的取值Ps'即为***超压参数。
超压时间的计算模型为：
Figure BDA0002354801560000131
式中，tp为超压时间，单位为s，tp'为无量纲时间，E为燃烧能量，单位 为J，aa为当地声速，时间为m/s；根据前述确定的爆源强度和计算得到的r'， 在不同爆源强度下无量纲距离和无量纲时间的关系曲线(图5)中读出纵坐标 的取值tp'。
正冲量的计算模型为：is＝1/2×Ps×tp
式中，is为正向冲量。
进一步的，步骤3所述失效后果所导致的风险包括个人风险和社会风险， 个人风险表示某一个体持续出现在某一特定场所所遭遇的某种危险发生的频 率，通常以每年个人死亡率表示；社会风险表征的是可能受到灾难性事件影 响的死亡人数和对应事故可能发生的频率。社会风险用双对数模型表示，以 死亡数目N对应各种失效后果发生频率累加值F作分布图，得出F-N曲线。 设备或管线的风险值(R)＝失效频率(F)×失效后果(C)。
进一步的，所述个人风险数值的具体计算步骤为：
步骤311、选择一个失效场景S，并确定其失效频率fs。失效场景可以选 择之前通过HAZOP分析出的危险场景，如原油储库中的储罐泄漏或原油储库 中的设备及管线泄漏，而其失效频率则分别对应储罐的泄漏频率或设备及管 线的泄漏频率。
步骤312、选择一种天气等级M和该天气等级下的一种风向
Figure BDA0002354801560000141
并确定 天气等级M发生的概率PM以及天气等级M和风向P同时出现的联合概率
Figure BDA0002354801560000142
步骤313、对可燃物释放，选择一个点火事件i并确定点火概率Pi。此处 点火事件可以选择立即点火或者延迟点火，而其点火概率则分别对应立即点 火概率或延迟点火概率。
步骤314、计算在特定失效场景S、天气等级M、风向
Figure BDA0002354801560000143
及点火事件i条 件下网格单元上死亡概率P个人风险；
步骤315、计算在特定失效场景S、天气等级M、风向
Figure BDA0002354801560000144
及点火事件i条 件下对网格单元个人风险的贡献
Figure BDA0002354801560000145
步骤316、对所有的点火事件重复步骤311-315进行计算，对所有的天气 等级和风向重复步骤312-315进行计算，对所有的S重复步骤311-315进行计 算，则网格点处的个人风险的计算公式为：
Figure BDA0002354801560000146
进一步的，所述社会风险数值的具体计算步骤为：
步骤321、确定以下条件：确定泄漏场景S及其发生频率fs，确定天气等 级M及其发生概率PM，确定天气等级M下的一种风向
Figure BDA0002354801560000147
及其发生概率
Figure BDA0002354801560000148
对于可燃物泄漏确定点火事件i及其发生概率Pi；
步骤322、选择一个网格单元j，确定网格单元内的人数Ncell；
步骤323、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure BDA0002354801560000149
及点火事件i条 件下，网格单元内的人口死亡百分比P社会风险；
步骤324、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure BDA00023548015600001410
及点火事件i条 件下的网格单元的死亡人数
Figure BDA00023548015600001411
步骤325、对所有网格单元，重复步骤322-324进行计算，对特定泄漏场 景S、天气等级M、风向
Figure RE-GDA00024160829700001412
及点火事件i条件下，计算死亡总人数
Figure RE-GDA00024160829700001413
步骤326、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure BDA00023548015600001415
及点火事件i条 件下的联合发生频率
Figure BDA00023548015600001414
步骤327、对所有的泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure BDA0002354801560000151
及点火事件i重复 步骤321-326进行计算，用累计死亡总人数
Figure BDA0002354801560000152
的所有事故发生的频率
Figure BDA0002354801560000153
构造F-N曲线。
根据社会风险曲线的定义，其定义为：F-N曲线是用来明确表示累积事故 频率(F)和死亡人数(N)之间关系的曲线图。由于频率和死亡人数的数值 跨越好几个数量级，所以经常使用对数坐标图。社会风险描述的是可能受到 灾难性事件影响的死亡人数和对应事故可能发生的频率。其横坐标值是死亡 人数，纵坐标值是该死亡人数事故发生的频率。故需要计算某一死亡人数下 的发生事故的概率，且包含了比其大的死亡人数的概率。
利用模型开展对原油储库潜在泄漏点泄漏后导致的可燃气体扩散计算、 可燃气体意外点燃后的热辐射强度计算、可燃气体***超压计算等后果计算；
原油储库的风险值和风险分布结果；包括：
结果1：风险集中的关键工艺流程节点和工艺设备设施列表(个人风险贡 献率)。
结果2：可燃气体的扩散范围和浓度分布。
结果3：通过热辐射强度计算可以得出火灾后不同位置的热辐射强度分 布。
结果4：可燃气体***超压计算结果可以得出***后各点不同时间的*** 超压值，根据***超压值开展建筑物抗爆设计。
进一步的，所述步骤5对初步设计方案的优化包括：原油储库内储罐罐 容设计方案的优化、总图布局设计方案的优化、原油储库自控设计方案的优 化、原油储库内储罐机械设计方案的优化和建筑物抗爆设计方案的优化。
其中，对原油储库内储罐罐容设计方案的优化主要是通过对单罐罐容的 调整，形成多种罐容配置方案，并对其进行定量风险评价，结合安全性和经 济性采用最优方案。原油储库内储罐机械设计方案的优化主要是从储罐结构 角度开展设计，从本质安全上降低储罐风险。
进一步的，结合建设用地条件，基于定量风险评价的结果对总图布局进 行多方案设计，对各方案开展定量风险评价，采用风险较低方案。
对于原油储库，为了满足生产的需求，设置了多种建筑单体，部分单体 人员较为集中，例如综合楼、调度楼等单体。常规设计方案对建筑单体与其 他区域间距均是基于标注规范的间距规定，对于不同的原油储库，缺乏定量 的分析。
基于后果的原油储库总图布局优化技术主要是在风险评价结果的基础 上，对于风险值不满足接受准则要求的建筑单体，根据其他区域对其风险值 的贡献，对总图方案进行调整。总图布局设计方案优化的具体步骤为：
步骤511、对初步设计方案进行风险评价，本实施例中此处的风险评价主 要为原油储库厂区内的个人风险评价。
步骤512、根据风险评价的结果，判断各个建筑单体是否满足风险接受准 则；
步骤513、对于不满足风险接受准则的建筑单元，分析其主要风险的贡献 源；
步骤514、调整初步设计方案中的总图布局，将建筑单元位置远离风险贡 献源；
步骤515、各建筑方案调整完毕，形成基于后果的总图布局优化方案；
步骤516、重复步骤511-515，直至满足风险准则要求。
进一步的，原油储库自控设计方案优化包括：
分析原油储库区工艺流程，确定增加执行机构的阀门，从而缩短阀门关 闭时间，减少因关闭阀门而导致的漏油量；
增加ESD联锁停泵逻辑，降低原油储库中的管线压力，从而减少管线漏 油量和管泄漏速率；
增加原油储库中储罐液位高高联锁停泵逻辑，降低原油储罐的冒罐风险。
进一步的，原油储库一旦发生原油泄露事故，可燃气体扩散至密闭或阻 塞空间，遇点火源点然后会发生***，导致建筑物受到***冲击波的冲击， 从而发生损坏或坍塌，造成人员伤亡和财产损失。尤其是对于控制室、设备 间等单体，一旦建筑遭受损坏会导致整个控制***完全失效，对事故应急处 置能力完全丧失。综上，对于厂区内建筑单体开展防爆设计是十分必要的。
目前石油天然气站场没有相关规范对站内建筑单体设计采用的抗爆超压 值进行规定。目前只有石化行业标准GB50779-2012《石油化工控制室抗爆设 计规范》对控制室的设计提出了抗超压值得要求：取冲击波峰值入射超压 21kPa，正压作用时间100ms；或冲击波峰值入射超压69kPa，正压作用时间 20ms。但该规定对于原油储库的适用性有待商榷。
根据风险分析结果给出的建筑物所在位置的超压值，对建筑物采用抗爆 设计，保证建筑物在***超压下的安全性。
建筑物抗爆设计方案优化的具体步骤为：
步骤521、计算建筑物所在位置的***超压值；
步骤522、计算建筑物的抗超压能力值，该值是根据建筑物结构设计方案， 采用专业结构分析软件进行计算得到的。
步骤523、将建筑物的抗超压能力值与其所在位置的***超压值进行比 较：如建筑物的抗超压能力值低于***超压值，则根据***超压值重新对建 筑物进行设计；如建筑物的抗超压能力值高于***超压值，则初步设计方案 满足抗爆要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本 领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (21)

1.一种基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，包括：
步骤1、确定原油储库的初步设计方案；
步骤2、通过HAZOP分析，确定初步设计方案中原油储库潜在的危险场景；
步骤3、对潜在的危险场景的失效概率、失效后果以及失效后果所导致的风险建模并进行定量计算；
步骤4、将定量计算结果与风险可接受准则进行比较，若定量计算结果在可接受准则范围内则初步设计方案合理，若定量计算结果不在可接受准则范围内则进行步骤5；
步骤5、对初步设计方案进行优化；
步骤6、形成基于风险的原油储库设计方案。
2.根据权利要求1所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，步骤3中所述危险场景的失效概率包括设备设施的失效概率以及设备设施失效后导致事故的点火概率。
3.根据权利要求2所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述设备设施的失效概率包括储库中储罐的泄漏频率、和储库中设备及管线的泄漏频率。
4.根据权利要求2所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述事故的点火概率包括立即点火概率和延迟点火概率。
5.根据权利要求3所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述储库中储罐泄漏频率的计算模型为：
F(t)＝FG×Df-total×FM
式中，F(t)为原油储罐的泄漏频率，FG为平均泄漏频率，Df-total为总损伤系数，FM为管理***评价系数。
6.根据权利要求3所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述储库中设备及管线泄漏频率的计算模型为：
F(d)＝f(D)dm+Frup f(D)＝C(1+aDn)
式中，F(d)为每年泄漏孔径尺寸为d的泄漏频率，f(D)为随着D变化的泄漏孔径函数，D为设备直径，单位为mm，d为泄漏孔直径，单位为mm，m为斜率参数，Frup为附加的破裂频率，C,a,n均为设备类型常数。
7.根据权利要求4所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述立即点火概率的计算模型为：
Pimm,ign＝Pai+Psd＝[1-5000e-9.5(T/AIT)]+[0.0024×(145P)1/3/(MIE)2/3]
式中，Pimm,ign为立即点火概率，Pai为自燃特性，Psd为点火能特性，T为泄漏物质的温度，单位为℃，AIT为泄漏物质自燃点，单位为℃，P为泄漏物质的压力，单位为MPa，MIE为泄漏物质最小点火能，单位为mJ。
8.根据权利要求4所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述延迟点火概率的计算模型为：
Figure FDA0002354801550000021
式中，P(t)为在0～t时间间隔内的点火概率，Ppresent为蒸汽云经过点火源存在的概率，
Figure FDA0002354801550000022
为点燃率，单位为s-1，t为时间，单位为s。
9.根据权利要求1所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，步骤3中所述危险场景的失效后果包括池火、喷射火以及蒸汽云***。
10.根据权利要求9所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述池火的计算模型包括池火燃烧的储液池直径、池火燃烧的火焰高度、池火燃烧火焰表面热通量以及目标处接收到的热通量，其中：
池火燃烧的储液池直径的计算模型为：
Figure FDA0002354801550000023
式中，S为防火堤所围面积，单位为m2，D为储液池直径，单位为m；
池火燃烧的火焰高度的计算模型为：
Figure FDA0002354801550000024
式中，L为火焰高度，单位为m，D为储液池直径，单位为m，mf为燃烧速率，单位为[kg/(m2·s)]，ρ0为空气密度，单位为kg/m3，g为重力加速度，单位为m/s2；
池火燃烧火焰表面热通量的计算模型为：
Figure FDA0002354801550000025
式中，q0为火焰表面的热通量，单位为kw/m2，ΔHc为燃烧热，单位为kJ/kg，fh为热辐射系数，mf为燃烧速率，单位为[kg/(m2·s)]；
目标接收到的热通量的计算模型为：
q(r)＝q0(1-0.058ln r)v
式中，q(r)为目标接收到的热通量，单位为kw/m2，r为目标到泄漏中心的水平距离，单位为m，v为视角系数。
11.根据权利要求9所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述喷射火包括垂直方向喷射火和水平方向喷射火。
12.根据权利要求11所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述垂直方向喷射火的计算模型包括火焰长度和目标处收到热辐射通量，其中：
火焰长度的计算模型为：
Figure FDA0002354801550000031
式中，L1为垂直方向喷射火的火焰长度，单位为m，dj为喷管直径，单位为m，CT为燃料-空气计算化学反应中燃料的摩尔系数，Tf为燃烧火焰的绝热温度，单位为K，Tj为喷射流体的绝热温度，单位为K，αT为燃料-空气计算化学反应中产生每摩尔燃烧产物所需反应物的摩尔数，Ma为空气的摩尔质量，单位为g/mol，Mf为燃料的摩尔质量，单位为g/mol；
目标处收到热辐射通量的计算模型为：
Figure FDA0002354801550000032
式中,q(r)为距离r处目标接收的热通量,单位为kw/m2,τa为大气传输率,η为热辐射系数,
Figure FDA0002354801550000033
为燃料的质量流速,单位为kg/s,ΔHc为燃烧热,单位为kJ/kg，Fp为视角因子。
13.根据权利要求11所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述水平方向喷射火的计算模型包括火焰长度和目标处收到热辐射通量，其中：
火焰长度计算模型为：
Figure FDA0002354801550000041
式中，L2为水平方向喷射火的火焰长度，单位为m，Hc为燃烧热，单位为J/kg，
Figure FDA0002354801550000047
为燃料的质量流速，单位为kg/s；
目标处收到热辐射通量的计算模型为：
Figure FDA0002354801550000042
式中，q(X)为距离X处接收到的热辐射通量，单位为kw/m2，f为热辐射率，Hc为燃烧热，单位为J/kg，
Figure FDA0002354801550000043
为燃料的质量流速，单位为kg/s，τ为大气传输率。
14.根据权利要求9所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述蒸汽云***的计算模型包括固定位置处的超压值、超压时间和正冲量，其中：
超压值的计算模型为：Ps＝Ps'×Pa
式中，Ps为***超压值，单位为KPa，Ps'为***超压参数，Pa为环境压力，单位为Pa；
超压时间的计算模型为：
Figure FDA0002354801550000044
式中，tp为超压时间，单位为s，tp'为无量纲时间，E为燃烧能量，单位为J，aa为当地声速，时间为m/s；
正冲量的计算模型为：is＝1/2×Ps×tp
式中，is为正向冲量。
15.根据权利要求1所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，步骤3所述失效后果所导致的风险包括个人风险和社会风险，所述个人风险以每年个人死亡率表示；所述社会风险以双对数模型表示，以死亡数目N对应各种失效后果发生频率累加值F作分布图，得出F-N曲线。
16.根据权利要求15所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述个人风险数值的具体计算步骤为：
步骤311、选择一个失效场景S，并确定其失效频率fs；
步骤312、选择一种天气等级M和该天气等级下的一种风向
Figure FDA0002354801550000045
并确定天气等级M发生的概率PM以及天气等级M和风向P同时出现的联合概率
Figure FDA0002354801550000046
步骤313、对可燃物释放，选择一个点火事件i并确定点火概率Pi；
步骤314、计算在特定失效场景S、天气等级M、风向
Figure FDA0002354801550000051
及点火事件i条件下网格单元上死亡概率P个人风险；
步骤315、计算在特定失效场景S、天气等级M、风向
Figure FDA0002354801550000052
及点火事件i条件下对网格单元个人风险的贡献
Figure FDA0002354801550000053
步骤316、对所有的点火事件重复步骤311-315进行计算，对所有的天气等级和风向重复步骤312-315进行计算，对所有的S重复步骤311-315进行计算，则网格点处的个人风险的计算公式为：
Figure FDA0002354801550000054
17.根据权利要求15所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述社会风险数值的具体计算步骤为：
步骤321、确定以下条件：确定泄漏场景S及其发生频率fs，确定天气等级M及其发生概率PM，确定天气等级M下的一种风向
Figure FDA0002354801550000055
及其发生概率
Figure FDA0002354801550000056
对于可燃物泄漏确定点火事件i及其发生概率Pi；
步骤322、选择一个网格单元j，确定网格单元内的人数Ncell；
步骤323、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure FDA0002354801550000057
及点火事件i条件下，网格单元内的人口死亡百分比P社会风险；
步骤324、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure FDA0002354801550000058
及点火事件i条件下的网格单元的死亡人数
Figure FDA0002354801550000059
步骤325、对所有网格单元，重复步骤322-324进行计算，对特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure FDA00023548015500000510
及点火事件i条件下，计算死亡总人数
Figure FDA00023548015500000511
步骤326、计算在特定泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure FDA00023548015500000512
及点火事件i条件下的联合发生频率
Figure FDA00023548015500000513
步骤327、对所有的泄漏场景S、天气等级M、风向
Figure FDA00023548015500000514
及点火事件i重复步骤321-326进行计算，用累计死亡总人数
Figure FDA00023548015500000515
的所有事故发生的频率
Figure FDA00023548015500000516
构造F-N曲线。
18.根据权利要求1所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，所述步骤5对初步设计方案的优化包括：原油储库内储罐罐容设计方案的优化、总图布局设计方案的优化、原油储库自控设计方案的优化、原油储库内储罐机械设计方案的优化和建筑物抗爆设计方案的优化。
19.根据权利要求18所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，总图布局设计方案优化的具体步骤为：
步骤511、对初步设计方案进行风险评价；
步骤512、根据风险评价的结果，判断各个建筑单体是否满足风险接受准则；
步骤513、对于不满足风险接受准则的建筑单元，分析其主要风险的贡献源；
步骤514、调整初步设计方案中的总图布局，将建筑单元位置远离风险贡献源；
步骤515、各建筑方案调整完毕，形成基于后果的总图布局优化方案；
步骤516、重复步骤511-515，直至满足风险准则要求。
20.根据权利要求18所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，原油储库自控设计方案优化包括：
分析原油储库区工艺流程，确定增加执行机构的阀门；
增加ESD联锁停泵逻辑；
增加原油储库中储罐液位高高联锁停泵逻辑。
21.根据权利要求18所述的基于风险的原油储库设计方法，其特征在于，建筑物抗爆设计方案优化的具体步骤为：
步骤521、对初步设计方案进行风险评价；
步骤522、计算建筑物所在位置的***超压值；
步骤523、计算建筑物的抗超压能力值；
步骤524、将建筑物的抗超压能力值与其所在位置的***超压值进行比较：如建筑物的抗超压能力值低于***超压值，则根据***超压值重新对建筑物进行设计；如建筑物的抗超压能力值高于***超压值，则初步设计方案满足抗爆要求。
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